鋼套鋼預(yù)制蒸汽管外套管的腐蝕與陰極保護(hù)

引言 隨著城鎮(zhèn)集中供熱和熱電聯(lián)產(chǎn)的大力發(fā)展，蒸汽管道技術(shù)在國(guó)內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用，而且直埋敷設(shè)以其保溫效果好、節(jié)能效率高、安裝方便、施工周期短、使用壽命長(zhǎng)、維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，在供熱系統(tǒng)中的直埋管網(wǎng)日益增多。然而，有關(guān)直埋蒸汽保溫管道外套管的腐蝕與防護(hù)問(wèn)題是關(guān)系到直埋供熱管道的經(jīng)濟(jì)性、安全性、可靠性及使用壽命的關(guān)鍵因素。直埋蒸汽管道的外套管應(yīng)保證使內(nèi)管和保溫材料在嚴(yán)格防水的空間內(nèi)運(yùn)行，如果外套管損壞’腐蝕、機(jī)械損傷、焊接質(zhì)量等原因造成(，地下水滲流進(jìn)保溫層，受到內(nèi)管高溫的蒸發(fā)變?yōu)樗羝?，使保溫材料的界面溫度和外套管的外表溫度難以控制，嚴(yán)重時(shí)能夠造成全線保溫和防腐失效，管線報(bào)廢。外套管腐蝕破裂造成人體危害；道路上冒氣對(duì)綠化帶植被的破壞；對(duì)地下電線、電纜、通訊設(shè)施造成熱污染或破壞)&、!*，類似事故國(guó)內(nèi)外都發(fā)生過(guò)。隨著管網(wǎng)服役時(shí)間的延長(zhǎng)，為了安全生產(chǎn)，杜絕損壞后患，蒸汽直埋外套管的腐蝕與防護(hù)已成為當(dāng)務(wù)之急。 本文對(duì)大連市熱電集團(tuán)有限公司所屬的金家套低洼地供熱管網(wǎng)改造工程鋼套鋼直埋蒸汽管道外套鋼管在土壤介質(zhì)中腐蝕狀況進(jìn)行分析，進(jìn)而根據(jù)外套鋼管實(shí)施犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)工作，研究了陰極保護(hù)在供熱管網(wǎng)實(shí)際中的應(yīng)用。 !管線土壤腐蝕性勘察 金家套低洼地供熱管網(wǎng)改造工程管道采用淺埋直埋鋪設(shè)，蒸汽設(shè)計(jì)溫度為+"",， 壓力為&$+-./。該工程采用“鋼套鋼”雙脫開式復(fù)合保溫結(jié)構(gòu)，內(nèi)鋼管采用01!"2&" 的3!+45碳鋼管，外套鋼管采用920電焊6!4/7鋼管，管線全長(zhǎng)40"2。保溫材料為巖棉管殼，蒸汽管穿閥門井壁及內(nèi)外套管之間采用柔性防水套管連接。管外壁采用環(huán)氧煤瀝青三布五油涂層保護(hù)’為加強(qiáng)防護(hù)結(jié)構(gòu)。 外套鋼管在土壤中的腐蝕主要是電化學(xué)腐蝕，因此對(duì)土壤的腐蝕性進(jìn)行正確地評(píng)估是實(shí)施陰極保護(hù)的基礎(chǔ)性工作。在實(shí)際工程中通過(guò)勘查管網(wǎng)沿線的土壤電阻率和對(duì)已服役多年而沒有進(jìn)行電化學(xué)陰極保護(hù)的舊管線的管對(duì)地電位來(lái)評(píng)價(jià)土壤腐蝕率。 金家套低洼地供熱管網(wǎng)改造工程地帶的土壤電阻率!和管道自然腐蝕電位進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，測(cè)試結(jié)果列于表3。該地帶!值在#38//"?2之間，鋼套管對(duì)地電位均負(fù)于% "$//"&’管網(wǎng)的自然腐蝕電位均偏低，沒有達(dá)到*保護(hù)的電位（負(fù)于%"$9/&）:4; ，處于腐蝕狀態(tài)。

鋼套鋼預(yù)制蒸汽管外套管的腐蝕與陰極保護(hù)

依據(jù)國(guó)內(nèi)外有關(guān)的判別標(biāo)準(zhǔn)，金家套低洼地供熱管網(wǎng)改造工程地帶管道基本上處于較強(qiáng)的腐蝕性土壤環(huán)境之中:#;，需要進(jìn)行電 化學(xué)陰極保護(hù)。 4分析外套鋼管的腐蝕狀況 對(duì)已服役多年的腐蝕6!4/7外套鋼管觀察了腐蝕形貌。經(jīng)觀察表明，大部分管子遭受銹蝕，呈黑褐色，且腐蝕產(chǎn)物沉積在金屬表面，形成宏觀上的腐蝕產(chǎn)物，致使管子脫皮、粗化、減薄甚至局部潰爛損傷。圖3示出腐蝕6!4/7外套鋼管外壁掃描電鏡照片。由圖可知，管外銹層有些部分呈絮狀大顆粒，腐蝕產(chǎn)物疏松、不連續(xù)分布，表征了均勻腐蝕特征。這說(shuō)明，腐蝕產(chǎn)物盡管覆蓋在金屬表面，但仍沒有起到防護(hù)作用對(duì)腐蝕的6!4/7外套鋼管進(jìn)行金相顯微 鏡觀察，結(jié)果示于圖!。6!4/7鋼顯微組織為鐵素體和珠光體組織。照片中亮的部分是鐵素體，呈網(wǎng)絡(luò)狀多面體晶粒組成，黑的部分則是珠光體組織，

在管外壁處出現(xiàn)了脫碳層。

這是由于鐵素體和珠光體組織電極電位不同，在土壤中形成腐蝕微電池。電極電位較負(fù)的 鐵素體作為陽(yáng)極而不斷被腐蝕（/），特別是土壤 中含水、存在氧、氯離子等都會(huì)加速它的腐蝕。這屬于電化學(xué)腐蝕的范疇，是外套管腐蝕破壞的主要形式#物理技術(shù)檢測(cè)結(jié)果 圖4示出6!4/7外套鋼管外壁銹層的電 子能譜分析（<=>）結(jié)果。由圖可見，管外壁表層主要由?@、-、,和)A等元素組成。值得指 出的是，管外壁表面銹層中發(fā)現(xiàn))
鋼套鋼預(yù)制蒸汽管外套管的腐蝕與陰極保護(hù)

!&()外套鋼管外壁電子能譜分析 明，在環(huán)境中土壤環(huán)境中*+和,元素參與了鋼管的腐蝕歷程。 ’!&()外套鋼管表面銹層的-%射線衍射分析結(jié)果列于圖#。管外壁表層主要有./!0&和./0的鐵的氧化物，./*+!、./,!和 ./,構(gòu)成，這一結(jié)果與上述電子能譜分析基本相吻合。 由上述分析可知，’!&()外套鋼管的腐蝕主要來(lái)之：（1）*處于較強(qiáng)的腐蝕性土壤環(huán)境之中的蒸汽管道由于管道涂層在施工及搬運(yùn)等過(guò)程中不同程度的破損，以及有些設(shè)計(jì)外壁使用溫度過(guò)高，使得環(huán)氧煤瀝青涂料性能早期失效、老化引起鋼質(zhì)管道的電化學(xué)局部腐蝕（!）由于蒸汽管道沿線土壤結(jié)構(gòu)和土質(zhì)的不均勻性以及水位線較高，含有氯離子和硫化物，加之新、舊管道之間的電位差，可加速舊管線及潮濕地帶管線局部腐蝕。 （&）金海達(dá)酒店后固定墩處與鐵道平行，且有地下電纜、高壓線及接地線等，所以沿線管道可遭受雜散電流腐蝕。若不進(jìn)行及時(shí)排流處理，將會(huì)加速該處腐蝕穿孔，早期損傷。 (管網(wǎng)陰極保護(hù)主要技術(shù)指標(biāo) （1）根據(jù)中國(guó)石油天然氣總公司頒布的,234""15%56的規(guī)范，對(duì)土壤電阻率，!低于1"""?7鋼質(zhì)埋地管道和常年處在水介 質(zhì)環(huán)境中的鋼質(zhì)管線應(yīng)進(jìn)行電化學(xué)保護(hù)。 （!）保護(hù)長(zhǎng)度 由于金家套低洼地供熱管網(wǎng)改造工程沿線土壤電阻率較低，基本上處于較強(qiáng)的腐蝕性土壤環(huán)境之中，故對(duì)外套鋼管道實(shí)施犧牲陽(yáng)極保護(hù)，保護(hù)管線總長(zhǎng)度為&6"7。（&）保護(hù)準(zhǔn)則8$根據(jù)中國(guó)石油天然氣總公司,234""15%569埋地鋼質(zhì)管道犧牲陽(yáng)極保護(hù)設(shè)計(jì)規(guī)范:的規(guī)定，被保護(hù)鋼質(zhì)管道對(duì)地電位應(yīng)負(fù)于%"$;(<=*>3*>,0#參比電極?。 @$陽(yáng)極設(shè)計(jì)壽命大于!(年。（#）沿線建立測(cè)試樁1座。 （(）陽(yáng)極的參數(shù) 8$陽(yáng)極的選材：采用AB%C+%DE%AE 合金陽(yáng)極（&） 。 @$陽(yáng)極的重量： 單支陽(yáng)極重;FB。G$陽(yáng)極的支數(shù)：&;支。H$陽(yáng)極的接地電阻：#IJ"9J:。/$陽(yáng)極的輸出電流：&J7C。K$陽(yáng)極的zui小保護(hù)電流密度：1$"7C37!。 B$陽(yáng)極的保護(hù)長(zhǎng)度：&"7，陽(yáng)極的屏蔽系數(shù)取1$5!"。 L$添包料選擇： 石膏粉：工業(yè)硫酸鈉：膨潤(rùn)土M6(：(：!"。 J犧牲陽(yáng)極系統(tǒng)參數(shù)的測(cè)定 犧牲陽(yáng)極施工后，在測(cè)試樁處測(cè)定了陽(yáng)極的保護(hù)電位、陽(yáng)極開路電位、陽(yáng)極接地電阻、陽(yáng)極的輸出電流，結(jié)果列于表!。 可見，測(cè)試樁的保護(hù)電位負(fù)于%"$/&, 01231245#參比電極6，說(shuō)明整個(gè)陰極保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定，電位分布均勻，陽(yáng)極保持較負(fù)的工作電位，提供較高的驅(qū)動(dòng)電壓，使管網(wǎng)處于良好的保護(hù)狀態(tài)，防止了土壤的電化學(xué)腐蝕。同時(shí)，陽(yáng)極的開路電位負(fù)于%’$#"",7陽(yáng)極接地電阻在#!范圍，達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。 犧牲陽(yáng)極保護(hù)后，對(duì)測(cè)試樁的陰極保護(hù)電位進(jìn)行跟蹤觀察，其結(jié)果列于表-。經(jīng)保護(hù)!"個(gè)月的實(shí)踐表明，隨時(shí)間的推移管道保護(hù)電位雖有緩慢升高的趨勢(shì)，但處于%’$’-!8%"$9+9,之間，電位穩(wěn)定，達(dá)到陰極保護(hù)的電位標(biāo)準(zhǔn)。 +結(jié)論 通過(guò)對(duì)大連市熱電集團(tuán)有限公司所屬的金家套低洼地供熱管網(wǎng)改造工程鋼套鋼直埋蒸汽管道外套鋼管在土壤介質(zhì)中腐蝕狀況的分析，設(shè)計(jì)了犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)方法。結(jié)果表明：’$對(duì):!-&;外套鋼管金相顯微鏡觀 察，發(fā)現(xiàn)在管外壁處出現(xiàn)了脫碳層，電極電位較負(fù)的鐵素體作為陽(yáng)極而遭受電化學(xué)腐蝕。!$:!-&;外套鋼管外壁銹層的電子能譜分析結(jié)果，管外壁表層主要由<=

、

5、4和1>等元素組成。說(shuō)明，在環(huán)境中土壤環(huán)境中1>和4元素參與了鋼管的腐蝕歷程。 -$:!-&;外套鋼管表面銹層的?%射線衍射分析結(jié)果，管外壁表層主要有<=!5-和<=5的鐵的氧化物，<=1>!、<=4!和<=4構(gòu)成。 #$外套鋼管實(shí)施犧牲陽(yáng)極的陰極保護(hù)后，保護(hù)電位處于%’$’-!8%"$9+9,之間，陰極保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定，陽(yáng)極保持較負(fù)的工作電位，使管網(wǎng)處于良好的保護(hù)狀態(tài)，腐蝕得到有效的抑制，達(dá)到了設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。